Углерод – химический элемент
Углерод (химический символ — C, от лат. Carboneum) — химический элемент четырнадцатой группы второго периода периодической системы. Углерод имеет атомный номер 6.
Периодическая система элементов
Углерод находится в 2-ой группе периодической системы химических элементов.
Внешний вид простого вещества
Углерод может быть прозрачным (алмаз) или матово-черным (графит).
Характеристики
- Название: Углерод / Carboneum
- Символ: C
- Номер: 6
Термодинамические свойства
Углерод имеет различные свойства в зависимости от своего вида.
Графит
- Плотность (при н. у.): 2,24 г/см³
- Структура решётки: Гексагональная
- Радиус атома: 70 пм
Алмаз
- Структура решётки: Кубическая
- Температура Дебая: 1860 K
- Радиус атома: 70 пм
Изотопы углерода
Изотопы углерода включают 12C, 13C и 14C.
- 12C: 98,9%, стабилен
- 13C: 1,1%, стабилен
- 14C: следовые количества, период полураспада 5730 лет
Заключение
Углерод – уникальный и широко распространенный химический элемент, играющий важную роль в органической химии и промышленности. Его различные формы, такие как алмаз и графит, имеют разные свойства и приложения. Изучение свойств углерода продолжается и вносит вклад в науку и технологии современного мира.
В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокалённым мелом, в результате чего образовывались фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Ещё в 1751 году германский император Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду.
Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины и пришёл к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод.
Второй аллотроп углерода — графит — в алхимическом периоде считался видоизменённым свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шеле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счёл его сернистым телом особого рода, особым минеральным углём, содержащим связанную воздушную кислоту (СО2) и большое количество флогистона.
Терминология и формы углерода
В XVII—XIX веках в русской химической и специализированной литературе иногда применялся термин углетвор (Шлаттер, 1763; Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 года Соловьёв ввёл название углерод. Соединения углерода имеют в названии часть карбо(н) — от лат. (род. п. carbōnis) уголь.
Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные химические связи разного типа.
Изотопы углерода
Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов — 12С (98,93 %) и 13С (1,07 %) и одного радиоактивного изотопа 14С (β-излучатель, Т½ = 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб.
На образовании и распаде 14С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.
Аллотропные модификации углерода
Схемы строения различных модификаций углерода:
- алмаз
- графит
- лонсдейлит
- фуллерен — бакибол C60
- фуллерен C540
- фуллерен C70
- аморфный углерод
- углеродная нанотрубка
На практике, как правило, перечисленные выше аморфные формы являются химическими соединениями с высоким содержанием углерода, а не чистой аллотропной формой углерода.
Электронные орбитали атома углерода могут иметь различную форму в зависимости от степени гибридизации его электронных орбиталей. Существует три основных конфигурации атома углерода: алмаз, графит и другие модификации.
С III модификация
При давлении свыше 60 ГПа предполагают образование весьма плотной модификации С III (плотность на 15—20 % выше плотности алмаза), имеющей металлическую проводимость.
При высоких давлениях и относительно низких температурах (ок. 1200 K) из высокоориентированного графита образуется гексагональная модификация углерода с кристаллической решёткой типа вюрцита — лонсдейлит (а = 0,252 нм, с = 0,412 нм, пространственная группа Р63/mmc), плотность 3,51 г/см³, то есть такая же, как у алмаза. Лонсдейлит найден также в метеоритах.
Ультрадисперсные алмазы (наноалмазы)
В 1980-е годы в СССР было обнаружено, что в условиях динамической нагрузки углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА).
В настоящее время всё чаще применяется термин наноалмазы. Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров.
Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ со значительным отрицательным кислородным балансом, например, смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.).
Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.
Карбин
Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (−C≡C−), либо поликумуленовое (=C=C=).
Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³).
Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или CCl4 в низкотемпературной плазме.
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9—2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу.
Фуллерены и углеродные нанотрубки
Углерод известен также в виде кластерных частиц С60, С70, C80, C90, C100 и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов.
Аморфный углерод (строение)
В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активированный уголь.
Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.
Свойства углерода
Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода встречается в виде различных горючих ископаемых и карбонатов. Углерод также широко распространен в атмосфере и гидросфере.
Процессы углерода в природе
Углерод участвует в биологическом цикле, где он поглощается растениями в процессе фотосинтеза из атмосферы, а затем возвращается через разложение органических веществ в геосферу.
Углеродные соединения
Большинство соединений углерода, в особенности углеводороды, имеют ковалентный характер связей и обладают большой разнообразием.
Свойства углерода
При обычных температурах углерод химически инертен, однако при высоких температурах он проявляет сильные восстановительные свойства. Различные формы углерода воспламеняются на воздухе при разных температурах.
Таблица: Степень окисления и энергия углерода
| Степень окисления | Диапазон | Энергия ионизации (эВ) |
|---|---|---|
| -4 | до +4 | 1,27 |
| 11,2604 | ||
| 24,383 | ||
| 47,871 | ||
| 64,19 |
Реакции углерода
Углерод способен реагировать с неметаллами при нагревании, что делает его ключевым игроком в химических процессах.
Подведем итог: углерод – это удивительный элемент, который проявляет широкий спектр свойств и обладает высокой химической активностью при определенных условиях.
Предоставленная информация носит лишь обобщающий характер и может быть дополнена дальнейшими деталями изучения углерода.
Продуктами горения углерода являются CO и CO2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например, C12O9, C5O2, C12O12). Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).
При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS2, известны также CS и C3S2. Получен селенид углерода CSe2.
Из углерода можно получить метан в присутствии оксидов железа, однако гораздо практичнее получать метан из синтез газа.
При сплавлении получается карбид кремния.
При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту: Такой же реакцией получают циан
Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения.
Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром для получения синтез газа
Горение чёрного пороха.
С калиевой селитрой углерод проявляет восстановительные свойства.
Восстанавливает сульфат бария
При сплавлении углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.
С большинством металлов углерод образует карбиды, например:
Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры, углеводы и др.
Соединения углерода составляют основу земной жизни, а их свойства во многом определяют спектр условий, в которых подобные формы жизни могут существовать. По числу атомов в живых клетках доля углерода около 25 %, по массовой доле — около 18 %.
Графит используют в карандашной промышленности, но в смеси с глиной, для уменьшения его мягкости. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Его невероятно высокая температура плавления позволяет делать из него тигли для заливки металлов. Способность графита проводить электрический ток также позволяет изготавливать из него высококачественные электроды.
В фармакологии и медицине широко используются различные соединения углерода: производные угольной кислоты и карбоновых кислот, различные гетероциклы, полимеры и другие соединения. Так, карболен (активированный уголь), применяется для абсорбции и выведения из организма различных токсинов; графит (в виде мазей) — для лечения кожных заболеваний; радиоактивные изотопы углерода — для научных исследований (радиоуглеродный анализ).
Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. В частности, углерод является неотъемлемой составляющей стали (до 2,14 % масс.) и чугуна (более 2,14 % масс.)
Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод — основа жизни. Источником углерода для живых организмов обычно является СО2 из атмосферы или воды. В результате фотосинтеза он попадает в биологические пищевые цепи, в которых живые существа поедают друг друга или останки друг друга и тем самым добывают углерод для строительства собственного тела. Биологический цикл углерода заканчивается либо окислением и возвращением в атмосферу, либо захоронением в виде угля или нефти.
Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов (нефть, природный газ) — один из важнейших источников энергии для человечества.
Углерод поступает в окружающую среду в составе выхлопных газов автотранспорта, при сжигании угля на ТЭС, при открытых разработках угля, подземной его газификации, получении угольных концентратов и др. Концентрация углерода над источниками горения 100—400 мкг/м³, крупными городами 2,4—15,9 мкг/м³, сельскими районами 0,5—0,8 мкг/м³. С газоаэрозольными выбросами АЭС в атмосферу поступает (6—15)⋅109 Бк/сутки 14СО2.
Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и лёгких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³.
Виды химической связи. Типы кристаллических решеток.
Из предложенного перечня выберите два вещества с ковалентной полярной связью: • 1) OF2 • 2) CaBr2 • 3) O2 • 4) SiH4 • 5) FeCl3
Из предложенного перечня выберите два вещества, для которых характерен тот же вид связи, что и в молекуле N2 1) MgSO4 2) HF 3) Cl2 4) Cl2O 5) O3
Какой вид химической связи в соединении, образованном элементами • 1) 4S2 и 2S2 2Р5 • 2) 3S2 3Р5 • 3) 3S1 • 4) 4S2 4Р5 и 2S2 2Р5 и 4S2 4Р4 и 3S2 3Р1
Из предложенного перечня выберите два вещества, для которых характерен тот же вид связи, что и в сульфате цинка ZnSO4 • 1) СuCl2 • 2) SiF4 • 3) NH3 • 4) Ba(OH)2 • 5) S8
В узлах кристаллической решетки воды находятся: • а) ионы; • б) молекулы; • в) атомы; • г) электроны.
Для соединений с атомной решеткой НЕХАРАКТЕРНЫ: • а) высокие температуры плавления; • б) ковкость, пластичность; • в) высокая твердость; • г) нерастворимость в воде.
Вещество А) O2 Б) Znl2 В) NaOH Г) Al Д) Графит Е) NН3 Тип кристаллической решетки 1) Ионная 2) Молекулярная 3) Атомная 4) Металлическая
Определите группу соединений, в которой присутствуют ТОЛЬКО вещества с молекулярной кристаллической решеткой: • а) N2, Mg, Hg; • б) H2, C2H6, CH3OH; • в) FeCl2, N2O, H2O; • г) SiO2, SO2, CO2.
Вещество Тип кристаллической решетки А) FeCl2 Б) O3 1) Ионная В) Ag 2) Металлическая Г) ZnF2 Д) SiO2 Е) CH4 3) Атомная 4) Молекулярная
На рисунке условно изображены К.Р. двух веществ. К.Р. этих веществ
Выберите два ряда веществ, каждое из которых имеет немолекулярное строение • 1) MgCl2 и SiO2 • 2) O2 и CuF2 • 3) СО2 и алмаз • 4) Cu и C6H6 • 5) NaOH и CuF2
Выберите два ряда веществ имеющих высокую температуру плавления • 1) H2O и NaCl • 2) графит и Fe2O3 • 3) CO2 и HBr • 4) ZnCl2 и SiO2 • 5) MgO и I2
В каком ряду химические элементы расположены в порядке усиления металлических свойств соответствующих им простых веществ?Магний, кальций, барийКалий,натрий,литийНатрий,магний,алюминийКальций,калий,натрий
5 электронных слоев соответствуют атому этого химического элемента:Rb CaBCu
Электрон обладает свойством этого :ГранулМолекул ВолнАтомов
На четвертом уровне максимальное количество электронов равно :2316328
Относительная молекулярная масса CuSo4 равна :1608013480
Какой из перечисленных элементов имеет постоянную валентность :FeCuSAl
Формула веществ, содержащего цинк и хлор (I) :Zn2ClZn2CL2ZnCl2ZnCL
Реакцию какого типа изображена на схеме : A + B = CРазложенияСоединения Замещения Обмена
Объем кислорода ( при н.у) который потребуется для получения 11,2л углекислого газа CO2?5,6л22,4л36,6л11,2л
10.Какая из приведенных реакций является окислением сложного вещества:1) 2KNO3 = 2KNO2 + 02;2) C + 02 = COz;3) 2H2S +302 = 2502 + 2H20; 4) CuO + H2 = Cu + H20
9. В каком уравнении коэффициенты расставлены неверно:1) 4A1 + 302 = 2A1203;2) Fe304 + 4H2 = 3Fe +4H20;3) 2K + 2HCI = 2KCI + H2;4) H202 = 2H20 + 02
12.С каким веществом водород не реагирует:1) цинк;3) оксид магния;2) хлор;4) оксид серы (IV)
Степень окисления хлора в соединении NACL03 Равна :-1+3+5+7
14.Какой из металлов не будет реагировать с соляной кислотой:1) Cr:3) Cu; 2) Zn;4) Ca
15.Какое вещество обозначено буквой X в уравнении реакцииNa + H2SO4 = X + H,^1) NaSO4;3) Na›SO4; 2) Na›S;4) NaS
Научно-популярный сегмент интернета уже несколько недель гудит по поводу статьи южнокорейских ученых о создании материала, демонстрирующего сверхпроводимость в нормальных условиях. Его быстро окрестили кандидатом на святой Грааль современной физики.
Однако многие ученые не разделяют оптимизма, обращая внимание на недостатки научной статьи и отсутствие реальных доказательств существования сверхпроводимости в образце LK-99 от независимых исследователей. Скептически настроен и академик НАНУ Александр Анатольевич Кордюк, заведующий отделом сверхпроводимости Института металлофизики им. Г.В. Курдюмова и директор Киевского академического университета, с которым нам удалось пообщаться по поводу открытия.
Сразу скажу, мое отношение скептическое, поскольку еще не увидел ни одного подтверждения. Две статьи, вернее публикации на arXiv (сайт, где публикуются черновые варианты научного исследования, не рецензируемого независимыми экспертами), которые я видел, они не проходят мой персональный порог достоверности, чтобы на это стоило обращать внимание и об этом стоило думать. Потому что сверхпроводимость — это именно моя специализация, и я был бы очень рад, если бы появился сверхпроводник, способный функционировать при комнатной температуре. Это мечта многих людей.
Мое первое впечатление — это пример аномального диамагнетика. Пиролитический графит левитирует над неодимовыми магнитами очень похожим образом.
Пожалуй, именно видео левитации привлекло больше всего внимания среди общества?
Я, кстати, видео не смотрел, а на фото оно выглядит как пиролитический графит. И это не новость. Относительно экспериментальных данных, график намагниченности и для сверхпроводника и для аномального диамагнетика выглядит почти так же.
Диамагнетизм — это когда магнитное поле внутри материала оказывается меньше, чем приложенное. Это означает, что материал не прозрачен для магнитного поля, соответственно все материалы имеют такой эффект. Представим модель атома: электроны, вращающиеся вокруг ядра, их орбитали. Если приложить магнитное поле, то эта орбита на него реагирует, поле в конце концов уменьшается. Это электродинамический эффект, когда вы прикладываете какой-то ток на какой-то контур, то поток через него не меняется. Чтобы он со временем изменился, надо выполнить определенную работу.
Если это сверхпроводник, то этот поток не будет меняться, поскольку нет сопротивления. Если это просто катушка, тогда появляется ток, который будет противодействовать этому магнитному полю. Поскольку существует сопротивление, этот ток будет затухать, и возникает электродвижущая сила. Это называется экранирующие токи, или токи Фуко. В целом так работают все электродвигатели.
Его надо подпитывать, чтобы уровень держался?
Да, подпитывать. А когда это электрон на орбите, то у него потерь нет, и у него есть определенная реакция на магнитное поле, чтобы не пускать его условно говоря, внутрь. Так создается определенный эффект диамагнетизма, но в некоторых материалах он проявляется сильнее. Медь считается очень неплохим диамагнетиком, вода — диамагнетик, наверное, все видели опыты когда лягушка левитирует в магнитном поле? Медь левитировать не будет, потому что она тяжелая. Вообще, лучшим диамагнетиком по моему мнению является висмут.
Подобные ситуации были даже до открытия высокотемпературной сверхпроводимости в купратах в 1986 году. Были работы, Русинова кажется, который нашел в каком-то материале аномальный диамагнетизм, и подал это как сверхпроводимость, но его сразу затюкали.
Такие случаи регулярны, особенно когда во второй половине 80-х был бум высокотемпературной сверхпроводимости. Я за свою жизнь не видел большего всплеска активности в исследованиях. Этим, такое впечатление занимались все, даже те, кто не имел прямого отношения к физике или физике твердого тела.
Это как с графеном и нанотрубками в середине 2000-х?
Ажиотаж вокруг графена был раз в восемь меньше. Тогда очень много исследований заявляли о сверхпроводимости в новых материалах, но потом оказывалось, что это диамагнетизм такой, аномальный. Одним из примеров является левитация пиролитического графита. Когда я увидел, что можно сделать такую демонстрацию левитации, меня заинтересовало.
Постепенно появился класс очень сильных магнитов — неодимовые. Они дают такой градиент магнитного поля, чтобы в нем мог левитировать пиролитический графит. И как я понимаю, это пока единственный пример материала, который может левитировать над куском такого магнита. Даже если исследования южнокорейских ученых нашли еще один такой материал, то это отличная новость.
Так чем на самом деле является LK-99? Судя по статье — это свинец-апатит, модифицированный путем замены частицы свинца ионами меди?
Ионы меди как раз обеспечивают хороший диамагнитный отклик, видимо, это одновременно очень легкий материал, но по моему мнению — его еще рано обсуждать. Статья немного рановато получила огласку, а ажиотаж состоялся, потому что все очень давно ждут сверхпроводник комнатной температуры. Это мечта очень многих исследователей.
Довольно неуверенно выглядят измерения сопротивления, если быть точнее — вольт-амперных характеристик. Они странноваты и слишком резкие, чтобы быть реальными. Когда исследователи транспортных свойств видят такие переходы — первым делом проверяют контакты. Потому что их «отваливание» с изменением температуры почти традиция. Создание контактов, которые не будут влиять на результаты — искусство.
В этом случае не вижу смысла об этом разговаривать, потому что с большой вероятностью это не будет доказательством высокотемпературной сверхпроводимости
А что можно считать экспериментальным подтверждением сверхпроводимости при нормальных условиях в похожем эксперименте?
Это очень просто — надо, чтобы другие ученые это проверили и подтвердили :). Сейчас такие времена, что экспериментаторы не доверяют другим экспериментаторам, только своим опытам. А вот теоретики наоборот — как-то слишком сильно доверяют экспериментаторам.
Проверять надо, конечно — это интересный материал, когда мне впервые бросили ссылку на статью в архиве — я переслал ее людям, которые могут его синтезировать. Пообещали попробовать.
Я не химик, но думаю, что синтезировать не проблема. Владимир Карбовський кажется взялся за эту задачу, но я еще не спрашивал о прогрессе. Он эксперт по исследованию апатитов.
А померить? Как только будет что мерить — мы это сделаем! Понятно, если мы имеем такой материал, условно, такого типа как апатит, то это не значит, что даже если он сверхпроводник, то мы сразу там увидим сверхпроводимость. Нужно хорошо изучить транспортные характеристики, для этого нужны хорошие контакты. Кроме контактов, надо, чтобы образец был такой, что он сам по себе проводит. Надо еще отделить магнитный сигнал от сверхпроводящего.
Проводятся ли в Украине исследования сверхпроводимости и есть ли какие-то весомые достижения за последнее время?
В Украине, у нас (Киевский академический Университет) один из основных центров по сверхпроводимости. В Харькове также есть Физико-технический институт низких температур (ФТИНТ), как раз его директор Юрий Найдюк и первым прислал мне статью.
О самом интересном — по моему мнению это развитие сверхпроводящей электроники. Самое перспективное — сверхпроводящие квантовые компьютеры. Хотя кажется, что до них сейчас далеко, направление развивают только крупнейшие компании, например IBM, Google, они больше всего вкладывают именно в развитие сверхпроводящих квантовых компьютеров.
IBM Q System One
То есть, когда говорят квантовый компьютер, имеется в виду сверхпроводящий?
Нет, есть много разных реализаций и на ионах определенных, например примесных центрах, оптические реализации. В ЕС как раз больше поддерживают концепцию оптического квантового компьютера. Но в целом, в США и Китае компании больше сконцентрированы на реализации концепта сверхпроводимости.
Это конечно очень дорогие проекты, ЕС пришлось сделать другой выбор, поддерживать развитие и того и другого сложно.
С другой стороны, там есть непреодолимая проблема декогеренции, потому что в квантовом компьютере должны быть кубиты, они должны между собой быть перепутаны (квантовая когерентность), этого сложно достичь для множества объектов. Для сверхпроводящих кубитов, даже при сверхнизких температурах (20 мК) очень быстро разрушается это состояние. Связать больше сотни, сейчас больше сотни, IBM обычно рекорды ставит, возможно до 200 доходит. Но для того, чтобы функционировал квантовый компьютер их нужно тысячи, десятки тысяч, в зависимости от того, как будут реализованы коррекции погрешностей. Некоторые считают, что это непереборный барьер.
Мое личное мнение — это связано с технологией алюминиевых сверхпроводников. У них очень низкая критическая температура, около 2 K (-271,15 ℃) соответственно очень узкая энергетическая щель. Она определяет частоту, на которой работают и взаимодействуют кубиты, и пропорциональна критической температуре. Частота довольно маленькая, микроволновый диапазон, если ее повысить, то улучшится стабильность.
Это можно как-то обойти?
Уже есть другие полупроводники, в частности купраты (на основе меди) имеют на порядок большую энергетическую щель. Но технически это очень сложно сделать, создать на этих сверхпроводниках контакт Джозефсона или SQUID. Что это такое? Аббревиатура от superconducting and quantum interference device. По сути это туннельный контакт из двух сверхпроводников, где наблюдается слабая сверхпроводимость, он ведет себя особым образом. Это свойство позволяет создавать очень чувствительные детекторы магнитного поля.
Пока это самое большое практическое использование сверхпроводимости. Применяется в каждом аппарате МРТ. На основе похожих на Джозефсоновы контакты строится кубит. Поэтому это далеко не микроскопическая структура, не квантовый размер. Это макроскопический контур из сверхпроводника, где один, два или три, в зависимости от конфигурации контакта. Их на плате довольно много и они взаимодействуют между собой.
Мы занимаемся одним из таких направлений — поиском новых материалов: квантовых, сверхпроводников, их комбинаций. Которые помогут сделать лучшие сверхпроводящие кубиты.
Есть ли какие-то успехи в высокотемпературном направлении?
Мой личный интерес вообще в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости. Пока нет общепринятой теории, которая бы позволяла экспериментаторам идти к определенной цели, которая бы говорила, что надо делать, чтобы получить сверхпроводник, который бы обеспечивал эффект при большей температуре.
Можно сказать, что каждый раз сверхпроводники появляются случайно. После купратов в 2008 году появились сверхпроводники на основе железа, так называемые ферропниктиды. Неожиданно, потому что магнетизм, как в железе как правило разрушает сверхпроводимость.
Неожиданно в том плане, что с 1986 года был безумный оптимизм, и считалось, что сейчас все силы бросят на развитие сверхпроводимости, все все поймут и откроют дверь к проводнику при комнатной температуре. И хотя действительно был прогресс, однако проблемы оказались сложными, это так называемые сильнокоррелированные системы, где важна взаимосвязь между электронами. Традиционные сверхпроводники модели БКШ (Бардина-Купера-Шрифера), которой изначально объясняли сверхпроводимость, основана на простых идеях, что электроны между собой почти не взаимодействуют. Что кулоновское взаимодействие (отталкивание зарядов) определенным образом экранировано. Но существует небольшое с помощью фононов и обмена колебаниями решетки, когда один электрон колеблет кристаллическую решетку, второй электрон это чувствует, и таким образом они притягиваются. Впрочем она предусматривала невозможность высоких температур для сверхпроводников, максимум 25 К.
Как вообще достигают экстремально низких температур, кроме общеизвестного жидкого азота?
Жидкий азот используется как дешевый, простой способ снизить температуру в экспериментах. По сути, его охлаждают мощные холодильники, есть обычно несколько их типов и эффектов, с помощью которых можно получить снижение температуры. А газы, которые можно сжижать используются, чтобы не применять громоздкие установки вблизи чувствительного оборудования. Тогда нет лишних шумов, наводок и тому подобное.
Азот — это 77 К (-196,15℃), а первый удачный эксперимент начался с того, что Хайке Камерлингху Оннесу удалось скрапити жидкий гелий, а это 4,2 К (-268,95℃). Он начал туда «мокать» различные материалы, и обнаружил, что ртуть при сверхнизких температурах теряет электросопротивление.
Почему ртуть? Потому что считалось, что нужно именно чистый металл, а ртуть жидкая при нормальных условиях и ее легко очистить. Они же не сверхпроводимость искали, а узнавали что будет с чистым металлом при сверхнизких температурах. Будет ли падать сопротивление постепенно до нуля, или наоборот будет увеличиваться? А оказалось, что его значение снижается резко.
Возвращаясь к высокотемпературной сверхпроводимости, то теорий в целом много. Система сложная, потому что есть взаимодействие между электронами. Ее роль сложно просчитать. Большое количество теорий мешает прогрессу, потому что каждый просто отстаивает свое мнение. С одной стороны бум очень способствовал развитию экспериментальной отрасли и теоретических методов, с другой — создал вязкую среду, через которую очень сложно пройти новым идеям.
Я так понимаю, в статью ученых из Южной Кореи они примешали какую-то новую теорию, которая выглядит странновато. Как будто не просто случайно сделали открытие, а обосновали его. В худшем случае просто кто-то стремится отстоять свою теорию с помощью хайпа. Такое на самом деле случается довольно часто.
Теория БКШ основана на простых сверхпроводниках. Когда свойства электронов можно обозначить как «электроны в вакууме», их связь энергии с импульсом не отличается. Однако в кристаллах он существенно отличается и определяет свойства электронов, становясь очень сложным. И есть много сверхпроводников — двухзонных, многозонных. Где зависимость энергии от импульса очень сложная, и многие свойства материи определяются именно сложностью структуры. Например есть такое понятие как вихри Абрикосова (ученика Ландау). Он придумал, что могут быть сверхпроводники второго рода, куда магнитный поток заходит в виде вихрей, отдельных квантов магнитного потока. Потом и в самом деле оказалось, что существует такой эффект, и большинство известных сверхпроводников именно второго рода. Как вихри туда заходят и как закрепляются очень важно для практических применений, например для сверхпроводящих магнитов.Они проникают в сверхпроводник между первым и вторым критическими полями и в этом диапазоне функционируют все сверхпроводящие магниты. Оказывается что вихри можно разделить, и на этом найти интересные эффекты. Этим сейчас и занимаемся.
К сожалению не могу быть оптимистичным» :).
Мне кажется не обязательно быть оптимистичным, главное стремиться докапываться до истины.
Пока рано говорить о докапывании до истины. Надо подождать, но тогда уже спадет хайп. Я поражен энтузиазмом нашего старшего поколения. Того же Сергея Михайловича Рябченко, он всегда был реформатором, занимается магнитными свойствами. Он предложил тем корейцам написать и попросить образцы. На мой взгляд, это очень наивно, никто образцов не даст.
Что ж, буду только рад, если их исследование подтвердится.
Графи́т (от др.-греч. «записывать, писать») — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии (дигексагонально-дипирамидальный), до тригональной (дитригонально-скаленоэдрический). Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Образует листоватые и округлые радиально-лучистые агрегаты, реже — агрегаты концентрически-зонального строения. У крупнокристаллических выделений часто треугольная штриховка на плоскостях (0001). Природный графит имеет разновидности: плотнокристаллический (жильный), кристаллический (чешуйчатый), скрытокристаллический (аморфный, микрокристаллический) и различается по размерам кристаллов.
Цвет Серый, чёрный стальной
Медиафайлы на Викискладе
Фазы железоуглеродистых сплавов
Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой) Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой) Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза) Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Структуры железоуглеродистых сплавов
Конструкционная сталь (до 0,8 % C) Высокоуглеродистая сталь (до ~2 % C): инструментальная, штамповая, пружинная, быстрорежущая Нержавеющая сталь (легированная хромом)
Хорошо проводит электрический ток. Обладает низкой твёрдостью (1 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного более твёрдым и очень хрупким. Плотность 2,08—2,23 г/см³. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10—12 % примесей глин и оксидов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).
Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном — в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300—1300 К, причём положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.
Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.
Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициент Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.
Со многими веществами (щелочными металлами, солями) образует соединения включения.
Реагирует при высокой температуре с кислородом, сгорая до углекислого газа. Фторированием в контролируемых условиях можно получить (CF)x.
В неокисляющих кислотах не растворяется.
Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.
β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500—3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.
Условия нахождения в природе
Сувенирный графитовый блок.
Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.